Закрити

  Авторизація

Логін
Пароль
Запам'ятати на 2 тижні?

Забули пароль?
Якщо ви незареєстровані, пройдіть реєстрацію
Останні новини
Останні новини
Виробництво електроенергії за 8 місяців збільшилося на 2.1%
21.09.2018р.

Виробництво електроенергії в об'єднаній...

Нацкомісія з 1 жовтня підвищує тариф «Енергоатому»
21.09.2018р.

Національна комісія, що здійснює державне...

Ринок електроенергії вимагає підвищення тарифів…
20.09.2018р.

В Україні тариф для населення на сьогодні покриває...

«Volvo» представила електровантажівку із запасом ходу 300 км
18.09.2018р.

«Volvo Trucks» презентувала нову електричну вантажівку...

На горі Хом'як у Карпатах встановили сонячні панелі
18.09.2018р.

На вершині карпатської гори Хом’як змонтували...

Опитування
Опитування

Вам подобається оновлений портал?

29930
27.10.2008р. |
Паливна комірка: ощадна та екологічна енергетика
Якщо застосування найдешевших добувних рідких та газоподібних енергетично-паливних ресурсів (вуглеводнів) триватиме сучасними темпами (3,4 млрд. тонн щороку), то розвіданих світових запасів вистачить не більше ніж на 40 років, а з врахуванням «важкої нафти» та смолистих пісків – до 100 років. Тому всі заходи і методи енергозбереження та підвищення ефективності використання відомих енергоресурсів в народному господарстві та побуті стають дедалі актуальнішими.

Одним із найперспективніших у цьому плані, аж до часу відкриття принципово нових джерел енергії, бачиться нині вдосконалення і широке застосування так званих паливних комірок.

Паливна комірка (ПК, fuel cell – FC ) – це гальванічна комірка, яка перетворює хімічну енергію палива та окислювальної речовини, що безперервно підводяться до неї, безпосередньо в електричну енергію та частково в теплову. І якщо нині промислове виробництво електроенергії з хімічних енергоносіїв відбувається обхідним шляхом: одержують спочатку термічну енергію (спалюванням палива), потім перетворюють її в механічну (енергію стисненої рухомої пари в парових турбінах чи робочих газів у газових турбінах) і щойно потім у електроенергію за допомогою генераторів, то ПК дає змогу уникнути цих обходів, тобто є принципово ефективнішою.

У ПК основний процес перетворення енергії не є термодинамічним, вона не підлягає обмеженням циклу Карно. Крім того, вона простіше збудована, не має рухомих частин, тому надійніша і менше зношується порівняно з генераторами.

Принцип роботи ПК відкрив у 1838 році професор Базельського університету Хрістіан Фрідріх Шинбайн. Експериментуючи з електролізом води, коли вода розкладається на водень і кисень, якщо через неї пропускати постійний струм, науковець припустив зворотність цього явища. Х. Шинбайн  зафіксував появу напруги між двома платиновими дротинами, зануреними в електроліті, якщо до однієї з них підвести водень, а до другої – кисень. Згодом англійський фізик сер Уільям Роберт Гров розробив і успішно продемонстрував побудовану за цим принципом «газову батарею» – першу діючу ПК.

З відкриттям електродинамічного способу генерації електроенергії та винаходом двигунів внутрішнього згоряння наприкінці 19-го століття про ПК забули. Хоча ще 1887 року Вільгельм Освальд, директор першої кафедри фізичної хімії у Лейпцигу, визнавав її величезний потенціал. Він обґрунтував теоретичний коефіцієнт корисної дії ПК у 83%, що спричинило багато конструктивних пропозицій. Однак до якогось технічного розвитку ПК не дійшло, бо з’явились нерозв’язні на той час проблеми з матеріалами, та й теорія хімічних процесів у ній ще не була достатньо з’ясована. Але вже тоді експерименти з ПК дозволили вирішити деякі проблеми захисту металів від корозії.

ПК отримала нове життя, коли стали потрібні ефективні, без шкідливих викидів, джерела електроенергії для космонавтики та для підводних човнів. У 60-х роках минулого століття ПК вперше застосували на борту супутників американських космічних програм і навіть у польоті “Аполло” на Місяць.

Робота всіх відомих типів ПК ґрунтується на єдиному принципі (рис.1). Анод і катод, виконані у вигляді металевих або карбонових плат, нашарованих каталізатором (наприклад, платиною або паладієм), розділені електролітом або іонопровідною мембраною.

До анода безперервно підводиться паливо у формі горючого газу, і газ завдяки каталізатору інтенсивно дисоціює на електрони та іони (водень – на протони), причому іони газу, вільно розповсюджуючись в електроліті або через мембрану, наближаються і до катода. До катода ж підводиться окислювач (наприклад, кисень повітря, перекис водню тощо), з якого під дією каталізатора утворюються аніони. Між електродами виникає різниця потенціалів близько 1,3 В. Якщо до електродів під’єднати зовнішнє електричне коло (навантаження), то через нього від анода до катода будуть рухатись електрони, утворені під час дисоціації горючого газу, інтенсифікуючи аніонізацію молекул кисню. Аніони кисню сполучаються з іонами (протонами) горючого газу, які проникли через електроліт або мембрану, утворюється вода, яка викидається. Рух електронів у зовнішньому електричному колі є корисною роботою, одержуваною від ПК, напруга навантаженої ПК не перевищує 0,7 В. Рушійною силою процесу є велика різниця парціальних тисків горючого газу та кисню.

Цей електрохімічний процес може бути здійснений за допомогою різноманітних матеріалів та у різних формах і відбувається за різних температур. Як паливо (горючий газ) може використовуватися водень, а також продукти переробки рідких та твердих вуглеводнів. Для приготування газу для ПК з цих вуглеводнів ПК оснащується зовнішнім або внутрішнім реформером та пристосуваннями для очищення від шкідливих домішок (наприклад, сірки). Якщо до ПК підводяться водень та кисень повітря, то викидним продуктом буде вода. Якщо горючий газ містить додатково горючі вуглецеві сполуки (тобто є сумішшю продуктів реформування), то додатково викидається ще вуглекислий газ.

Класифікують ПК за видом електроліту (мембрани) та робочою температурою. Електроліт буває рідким або твердим, лужним, сольовим чи кислотним, мембрана - полімерною, керамічною тощо: вони мають бути йонопровідними за робочої температури. Температура є вирішальним фактором для визначення сфери застосування ПК. В табл.1 наведені основні дані існуючих типів ПК.

Щоб одержати напруги, придатні для застосування, ПК з’єднують у послідовні ряди – так звані стеки (stack). Для збільшення потужності стеки з’єднують паралельно. Генерований ПК постійний струм може використовуватись як безпосередньо, так і перетворюватись у змінний за допомогою інвертора. Утворювана теплота може частково застосовуватись у ПК (у реформері) або ж повністю відокремлюватись, наприклад, для опалення або водонагрівання.
ПК, чи стек є основною частиною комплексної ПК-комірки чи системи. Для прикладу, на рис. 2 показана така система в автомобілі. Крім ПК-модуля, до власне ПК-системи належать компоненти приготування горючого газу, постачання повітря, регулювання та охолодження. Струм від ПК-системи подається через інвертор в електромережу автомобіля та двигун його електропривода. Система керується та регулюється окремим пристроєм. Системне охолодження ПК-системи взаємодіє з регульованою системою кліматизації. Запас палива (водень, метанол тощо) зберігається у перевізному баці.

Стаціонарні ПК-системи побудовані за тим самим принципом і відрізняються від показаної на рис.2 відсутністю специфічних для мобільних комірок (бака, двигуна тощо) та наявністю інших зовнішніх елементів і частин.

ПК та ПК-системи за принципом дії мають кілька суттєвих переваг над розповсюдженими теплоелектрогенераторами, які роблять їх перспективними для застосування у нових системах енергопостачання:

1. Високий електричний коефіцієнт корисної дії навіть за малих потужностей та за часткового завантаження; загальний коефіцієнт корисної дії для стаціонарних систем досягає 80%, для мобільних систем він на 10 – 20 % вищий, ніж у традиційних.
2. Відсутність рухомих частин, а тому висока надійність, менше зношування і шумове забруднення, менші затрати на обслуговування.
3. До 50% менший викид CO2 порівняно з діючими тепловими електростанціями та автомобілями, відсутність шкідливих викидів NOx, SO2 та CO.
4. Добре регулювання.
5. Гнучке припасування встановленої потужності завдяки модульній побудові ПК-системи.

Ще одна суттєва перевага технології ПК, а саме водневих ПК, може бути використана, якщо водень виробляти за допомогою відновлюваних енергій (солярної техніки, вітро-, геотермо- та гідроенергетики). Тоді «зайву» електроенергію можна дешево нагромаджувати (акумулювати) у запасах водню для ПК і повертати її споживачам під час піків електронавантаження (так зване вирівнювання графіка навантаження).

Нині розробки у всіх типах ПК проходять або завершують стадію промислових випробувань, починається їх використання з комерційною метою.
Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) застосовуються у всіх сферах теплоелектропостачання. Комбінація з газовими турбінами дає змогу реалізувати електростанції невеликої потужності, коефіцієнт корисної дії яких можна порівнювати з великими теплоелектроцентралями на природному газі. Заміна спалюваної камери газової турбіни на ПК призводить до гібридного процесу, завдяки чому коефіцієнт корисної дії газової турбіни зростає з 30% до понад 60%. Ще однією вагомою перевагою SOFC є те, що її високотемпературний режим дозволяє проводити газогенерацію безпосередньо з біомаси. Найменші комірки потужністю до 25 кВт для застосування у домашніх господарствах та невеликих підприємствах розроблені швейцарською фірмою Sulzer Hexis AG, німецькими Vaillant та Viessmann, більші комірки у діапазоні потужностей від 250 кВт до 20 МВт – фірмою Siemens Westinghouse.

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) з робочою температурою між 500 °C та 600 °C та одночасною генерацією струму і стисненої пари створюють найкращі умови для промислового теплоелектропостачання. У Німеччині цю технологію розробляє фірма MTU CFC з Фрідріхсгафена, а в США - Fuel Cell Energy.
Alkaline Fuel Cell (AFC) у зв’язку з низькими робочими температурами, застосуванням чистого водню та кисню і, відповідно, з викидом у вигляді чистої води, знайшли свою нішу в космонавтиці та на підводних човнах. Розроблені ці ПК фірмою ZeVco (Zero Emission Vehicle Corporation), активні в цьому секторі також фірми IFC (International Fuel Cell) та Fuji.

Для Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) з робочою температурою близько 200 °C могло би бути широке поле застосування для теплоелектропостачання громадських будівель, лікарень, басейнів, а також житлових масивів. Американська фірма ONSI вже випробувала в експлуатації понад 180 таких комірок. У цій сфері також задіяні японські фірми Fuji та Toshiba. Однак подальший розвиток PAFC з нинішнього погляду гальмується технічними обмеженнями щодо температурної стійкості матеріалів.
Низькотемпературні Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) особливо придатні кінцевому споживачу для опалення та водонагрівання з одночасною генерацією електроенергії для домашнього господарства. 2004 року реалізовано перший в Європі комерційний берлінський демонстраційний проект комірки з PEMFC електричною потужністю 250 кВт.

Direсt Methanol  Fuel Cell (DMFC) застосовують в діапазоні потужностей від кількох Вт до кількох кВт для живлення переносних приладів та інструментів. У Німеччині системи з DMFC малими серіями продукує мюнхенська фірма Smart Fuel Cell AG.

З липня 2004 року в Гамбурзі одну з міських ліній обслуговують автобуси з приводом на ПК-системі. Спеціально для цієї лінії фірмами Deutschen BP AG та Hamburger Electricitäts-Werken (HEW) споруджено заправну водневу станцію, причому водень для неї виробляється лише за допомогою струму, генерованого з відновлюваних енергій. Отже, Гамбург став однією з 9 європейських метрополій (поряд з Амстердамом, Стокгольмом, Люксембургом, Лондоном, Мадридом, Барселоною, Порто та Штутгартом), в якій в рамках проекту CUTE (Clean Urban Transport for Europe) випробовуються міські ПК-автобуси (з частими зупинками та короткими відстанями між ними). У списку задіяних у цьому проекті понад 40 підприємств є такі відомі компанії, як DaimlerChrysler, Shell, Norsk Hydro тощо.
Нині ще не з’ясовано, що спонукатиме масове виробництво ПК – енергогосподарство чи автомобілебудування.

Підвищення екологічних вимог та тенденція до менших енергоперетворювальних комірок мають покращити умови застосування стаціонарної ПК-технології. Крім того, меншим енергетичним коміркам сприяє дерегуляція енергоринку, бо необхідні капіталовкладення у малі комірки за успішного ринкового провадження будуть менші, ніж у великі, тож інвестиції швидше окупляться. Необхідною передумовою для застосування ПК-систем в промисловій енергетиці є сприятливе співвідношення між виробництвом потрібної теплоти й електроенергії та наявність достатнього забезпечення природним газом.

Стаціонарні ПК-системи можна застосовувати для підвищення надійності енергопостачання таких споживачів, як лікарні, розрахункові центри тощо, якщо лібералізація енергоринку спричинить, як у деяких розвинених країнах, зниження якості енергомереж. У сфері житлового енергопостачання перспективними є палювальні ПК-системи електричною потужністю до 10 кВт як альтернатива розповсюдженим звичайним опалювальним коміркам.

Вирішальним критерієм для впровадження ПК-технології в громадському транспорті полягає не в досягненні технічних параметрів та надійності, а в питомих затратах порівняно з існуючими. Вважається, що за нинішніх цін на паливо ПК-техніка могла б конкурувати з традиційною за приведених питомих затрат у 50-60 євро/кВт. За оцінками ж DaimlerChrysler, навіть за щорічного виробництва 100 000 одиниць, розрахункові питомі затрати сягають 100-200 євро/кВт. Однак, враховуючи динаміку цін на паливо та підвищення екологічних вимог до транспортних засобів, Global Business Network разом із GM прогнозує, що у 2013 році третина всіх американських нових автомобілів випускатиметься з ПК-приводом, а 15% всіх заправних станцій продаватимуть також і водень як автомобільне паливо.

Цікаво, що Україна є єдиною у Європі країною, яка володіє родовищем цирконію, придатним для виготовлення SOFC. Українське родовище є третім за розмірами у світі і найбільшим у всій північній півкулі. Саме за допомогою цирконію Україна могла б залучитися до співпраці зі світовими лідерами розбудови нової економічної й екологічно безпечної енергетики та автомобілів нового покоління, як і прибуткової промисловості цирконієвої кераміки, попит на яку в світі зростає щороку на 10-15%. На підприємстві вважають, що на розгортання в Україні цирконієво-керамічної промисловості та виробництва SOFC, які можуть давати сотні мільйонів доларів прибутку щороку, потрібно не більше $1,5 млрд.

1. Табл.1. Типи і характеристики паливних комірок (ПК)
2.  Рис. 1. Принцип роботи паливних комірок.
3.  Рис. 2. ПК-система в автомобілі.

 

Низькотемпературні ПК

Високотемпературні ПК

Алкалійна ПК
(Alkaline Fuel Cell
AFC)

Протоно-обмінна мембранна ПК  (Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC)

Пряма метанолова ПК (Direct Methanol Fuel Cell DMFC)

Фосфорно-кислотна ПК (Phosphor Acid Fuel Cell PAFC)

Стопна карбонатна ПК (Molton Carbonat Fuel Cell  MCFC)

Тверда оксидна ПК (Solid Oxid Fuel Cell  SOFC)

Електроліт

Калійний
луг

Полімерна протоно-провідна
мембрана

Полімерна протоно-провідна
мембрана

Фосфорна
кислота в
матриці

Алкалікарбо-натний стоп у
матриці

Цирконіє-іридієвий оксидний керамічний
корпус

Робоча тем-пература °C

60…90

0...80

60…130

130...220

650

800…1000

Реформування палива

зовнішнє

зовнішнє

зовнішнє

зовнішнє

внутрішнє

внутрішнє

Електричний системний коефіцієнт корисної дії

(60…65) %

(40…60) %

(20…40) %

(35…40) %

(48…60) %

(50…65) %

Потужність

20 кВт

до 250 кВт

до 250 кВт

 11 МВт

2,2 МВт

10…25 кВт

Застосування

Мобільне  енергопостачання

Стаціонарне енергопостачання

Космонавтика, військово-промисловий комплекс

Блочні теплові мікроелек-тростанції, заміна акумулятор-них електро-батарей, автомобілі

Заміна акумуляторних електробатарей, автомобілі

Блочні теплові малі електро-станції

Блочні теплові малі електро-станції

Блочні теплові мікроелек-тростанції, авіаційні пускові агрегати

Стан розвитку

У нішах комерцій-ний

Прототип

Прототип

Малі серії

Демонстраційні зразки

Демонстраційні зразки


Табл.1. Типи і характеристики паливних комірок (ПК).



Рис.1. Принцип роботи паливних комірок.


Рис. 2. ПК- система в автомобілі.


За матерілами Всеукраїнської галузевої газети "Електротема"

Информация о канализацие в частном доме. Септик, фильтрующий колодец или выгребная яма?
Теги та ключові фрази
теплоелектрогенератори купити, купити теплоелектрогенератор, купить керамічну електробатарею, отримання енлектроенергії для домашнього господарства, палывна комирка купить, паливні комірки нові розробки 2014, паливні елементи принцип дії, фосфорно кислотні паливні елементи, фосфорно-кислотный паливний елемент, теплову енергію перетворювати в електрику за допомогою паливних комірок


Поділіться цією інформацією в соцмережах, дякуємо за популяризацію порталу:
Також Ви можете:

Додати до закладок Підписатись Версія для друку




Інші статті
17.11.2010р.

Електричні щити 2

Електричний щит - це початок всієї електричної частини будівлі, і не важливо, що це - величезний завод у мегаполісі або скромний будиночок у селі. Скрізь є електричні щити

18.08.2010р.

Пристрій для плавного пуску електродвигуна

Одним із самих головних недоліків асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором є наявність у них великих пускових струмів. І якщо теоретично методи їх зниження були добре розроблені вже досить давно, то ось практично всі ці розробки застосовувалися дуже в рідкісних випадках

Більше статей за тегами
Пропозиції, що можуть Вас зацікавити
 19/09/2018
24
Більше пропозицій за тегами
При використанні матеріалів посилання на www.proelectro.info (для інтернет ресурсів з гіперссилкою) обов'язкове.